基于多进程架构的嵌⼊式软件框架研究与实现
摘要：
本⽂针对中⾼端嵌⼊式软件产品的开发，提出了⼀种多进程的开发框架。使⽤该框架，可以实现多⼈并⾏开发，加快产品开发周期，提供产品稳定性，是⼀种有益的尝试。
关键字：框架 多进程 嵌⼊式软件
0 引⾔
伴随着计算机软件技术的发展，嵌⼊式软件开发也在不断的变化更新。软件的发展离不开硬件的进阶。从早期的51单⽚机到⾼性能的dsp 芯⽚再到当今基于ARM的⾼性能soc芯⽚遍地开花，嵌⼊式硬件的发展经历了快速化⾼性能化低功耗化，普适化，多核化发展，甚⾄当今部分soc芯⽚的性能已远远⾼于早期pc上的x86系列cpu，⽽且内存的使⽤也都向着通⽤PC的⽬标看齐。依附于硬件，嵌⼊式软件技术也经历着快速的发展。从早期的c加汇编的⽅式，到如今的android，都是⽤Java进⾏应⽤软件的开发了。总的来看，软件的发展向着复杂化，庞⼤化，专业到普适化，深度定制化的⽅向发展。硬件外设也越来越多，软件管理也趋向于完善统⼀。不过随着cpu性能的不断提升，内存不断增⼤，整机价格不断降低，嵌⼊式软件的开发⾯临尴尬的地位。⼀⽅⾯对于低性能低成本，复杂度要求不⾼的领域，早期研究和进⾏
的软件开发，仍然可以适⽤，另⼀⽅⾯，对于⾼性能，⾼复杂度领域，许多开发⼯作已经转向使⽤android，采⽤android+专有功能的⽅式来实现。原来的主体功能此时充当了⼀个应⽤。对于这⼀领域，使⽤android是明智的选择，在硬件能⼒满⾜的前提下，使⽤android就有了稳定的基础平台，简化了对外设的管理，产品多了许多功能和卖点等等。但是有许多中间领域，⼀⽅⾯硬件cpu性能和内存成本限制，⽆法使⽤android庞⼤的系统，另⼀⽅⾯软件功能⼜有⼀定的复杂度，底层操作系统采⽤了Linux，⼀些功能可以完整使⽤开源组件，不再需要裁剪，但是上层软件主体功能都是⾃⼰设计开发来实现，如下图。针对这⼀领域的开发，本⽂提出了⼀种基于多进程架构的软件框架，能够针对不同的具体需求来构建软件原型，快速完成功能开发。
1 约束及⽬标
嵌⼊式系统领域的软件开发，有⼏个地⽅需要特别的考虑。⼀是⼀般都需要适配硬件。这是由嵌⼊式系统本⾝的特性决定的。不同领域，解决不同需求，硬件可能有⾮常⼤的差别，有时可能⼜有多种多样的外设，所以了解硬件的特性是进⾏开发⼯作前的第⼀个要求。其次，嵌⼊式软件⼀般都有实时性的要求。这也是嵌⼊式系统固有的特性，因为嵌⼊式设备⼀般功能⽐较单⼀，跟PC平台的通⽤性完全不⼀样，需要针对问题域对软件进⾏精⼼设计，充分发挥硬件性能。还有⼀个嵌⼊式系统软件都有定制化的特性，具体原因前⾯已经给出来了。针对这些特性，设计⼀个通⽤的软件框架，有⼀定的难度。试图设计⼀个框架来⼀统天下，包揽解决所有的问题，是不可能的。只能在⼀个层⾯解决⼀部分问题，⽬标就达到了。这就是这⾥要提的设计的约束条件。
⾸先，该框架是在Linux系统基础上进⾏的，也就是底层的操作系统为Linux，框架的运⾏需要底层系统调⽤的⽀持。这基本排除了硬件的特性，也就是框架完全是在纯软件的基础上进⾏的，不会涉及到某个特定的硬件⽀持。这⾥选择Linux操作系统，也是基于现在Linux在嵌⼊式系统的开发中越来越普遍的应⽤。
排除硬件的相关性后，考虑软件的限定条件。这⾥不进⾏具体内容的限定，⽐如要⽀持⽆线或者摄像头，或者限定具体应⽤创建的数量等，因为⾯对复杂的问题域和多样的需求，这些限定都没有什么实际意义。这⾥提出下⾯⼏个特性要求来适应通⽤性和灵活性：
a. 要能够满⾜功能开发需求。这也是最基本的需求。
b. 要满⾜模块化需求。也就是各个功能要按照模块开发，分割开，能够⼀个模块⼀个模块开发，并设计⾼内聚低耦合的模块接⼝。
c. 要满⾜可扩展需求。这是为功能的扩展准备，要能够在部分功能完成的基础上⽐较容易添加，并对已有模块影响较⼩。
d. 要满⾜并⾏开发需求。这其实是前⾯⼏个的综合。满⾜前⾯⼏条的基础上，尽量减少相互依赖，从⽽加快研发进度，缩短产品研发周期。
e. 最后，⼒求结构简单清晰，并且⾼效。⼀⽅⾯可以减少⼤家的理解偏差，另外也便于共同协作开发。
Brooks说过，向进度落后的项⽬添加⼈⼿，只会使项⽬更加延迟。⽀持这⼀观点的重要理由就是开发⼈员的培训和沟通耗费⼤量时间。所以，并⾏化和简单清晰的结构上相辅相成的。
2框架实现
2.1基础模块构建
这⾥所说的基础模块，也就是作为基础组建，提供完善的底层⽀撑的⼀些开源组件。嵌⼊式软件开发，虽然⾯对着多种多样的硬件外设和丰富多样的功能需求，但是有⼀些功能还是具有相对的通⽤性的。构建基础模块，就是将这些通⽤的功能前期添加到框架中，夯实底层⽀撑。这块主要由两部分构成，⼀是开源软件，⼆是⾃⼰开发的具有通⽤功能的模块。随着互联⽹的不断普及，许多嵌⼊式设备都具备联⽹功能，这⾥像⽆线连接管理、pppoe拨号管理、数据的上传下载等都可以使⽤开源软件来完成。另外像数据的加密解密，也有现成的开源软件来实现。对于⾃⼰开发的模块，包括像对操作系统调⽤的封装，与设备配置相关的统⼀数据管理，任务的管理，⽐如任务启动暂停停⽌等。
需要指出的是，这⾥的开源软件移植，跟我们以前研究的对开源软件的剪裁不同。这⾥我们定位系统硬件的性能为中⾼端，并不是早期内存受限系统，所以不需要对开源软件进⾏裁剪或者专门裁剪版来代替。很多功能都可以使⽤跟Linux发⾏版使⽤同样的版本。
将这些公共基础模块作为底层⽀撑，就更容易搭建上层应⽤，并且更加稳定⾼效。所有上层应⽤都可以使⽤底层模块提供的功能，从⽽专注于⾃有逻辑的实现。
⼀个基础模块的实例如下图所⽰：
2.2 应⽤的构建模式
完成原型构建后，就需要考虑应⽤层的细节了。在到底是采⽤单进程模式还是多进程模式这⼀条上，可以说是没有⼗全⼗美，只有更好。考虑框架需要满⾜并⾏开发以及能够灵活应对多种需求，系统在整个应⽤层采⽤了多进程多线程结合的结构。这可以叫应⽤的构建模式。这⼀设计结构有⼒的⽀撑了我们在约束条件中提到的5项需求。简单来说，应⽤主体所有功能以进程为运⾏单位。进程由多个⼦线程构成，其中主线程完成主要的消息接收和控制处理，⼦线程来完成辅助处理。⼦线程间通过消息队列进⾏通信，进程间（也就是应⽤间）通过进程间消息来通信。这样整体来看，系统通过两级通信机制将各个部分衔接起来，应⽤间采⽤进程间的消息通信机制，应⽤内采⽤消息队列的通信机制。另外，使⽤多进程应⽤开发模式，多个应⽤可以多⼈同时单独调试开发，加快产品开发进度。linux内核设计与实现 pdf
这⾥强调并⾏开发的重要性，基于很多原因。很多任务的开发具有单线性，需要依赖之前的任务完成才会进⾏下⼀轮的开发。所以，如果能够并⾏开发，则在加快产品开发上将⼗分有利。
⼀种应⽤层功能开发的模式如下图所⽰：
2.3应⽤看门狗机制
稳定性在嵌⼊式软件开发中如何强调都不过分。许多嵌⼊式操作系统都将稳定性作为⾃⾝特⾊⽽加以⼤⼒宣扬。嵌⼊式⾏业流⾏的vxworks操作系统，据说已经进⾏了所有功能的完整全⾯的测试，⼏乎是零BUG。但是软件开发终究是⼀种思想的产物，俗话说智者千虑，必有⼀失。随着问题域越来越庞⼤，功能越来越复杂，难免有⼀些bug隐藏⼗分隐蔽。为了最⼤程度保证软件的稳定性，参考硬件看门狗机制，在框架中加⼊了软件看门狗机制。基本原理应⽤在启动时，将⾃⼰注册到监控管理程序，监控模块不断的向各个应⽤狗喂⾷，如果⼀段时间内某个应⽤不响应，那么就认为该应⽤陷死或者挂掉了，将其重启。另⼀⽅⾯，将各个应⽤设计为单独的进程运⾏⽅式，可以将某⼀个应⽤的down掉，对其他模块产⽣的影响降到最低。
2.4 事件通知链机制
框架中的事件通知链机制，参考了Linux内核的⼀些做法。应⽤如果对某种事件感兴趣，可以将⾃⼰注册到该事件的通知链上。当对应的事件发⽣时，事件产⽣器回向通知连发送消息，这样所有挂到通知连上的应⽤都将接收到事件。在嵌⼊式系统中，常见的⼀些事件包括遥控器和按键的输⼊，外设的插拔，⽐如⽹线和usb。除此，还有其他⼀些事件。
2.5 统⼀的debug收集模块
Debug模块⽤来完成调试信息的收集，也包括软件的执⾏流程和⼀些错误信息。嵌⼊式软件开发，由于其平台多样，不像PC上开发程序，有很⽅便的集成开发环境，能够很⽅便的进⾏调试，很多时候打印成为了调试程序简便有效的⽅法。为了⽅便程序的调试，框架设计了统⼀的debug收集模块。应⽤程序在开发时，调⽤debug模块提供的接⼝作为打印接⼝，就可以⽅便的做到：a将打印信息在串⼝输出显⽰；b将打印信息发送到远端的监控端，实现远程调试；c可以远程控制打印输出级别和输出模块，从⽽过滤不需要的等级的打印和不需要的模块的打印。这样可以减少打印信息，⽅便调试。
在现有功能基础上，开发者可以对该模块进⾏扩充，实现⾃⼰独特的打印控制。
2.6 基于框架的系统构建
使⽤该框架，系统的构建就如下图所⽰。
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最底层是硬件层，包括cpu，内存flash以及各种外设。
之上时操作系统层，使⽤Linux操作系统，带多种外设驱动。
基于操作系统提供框架层，封装部分系统调⽤接⼝，对上提供管理和⽀撑和部分扩充模块。
最上层是应⽤层的开发，可以是⾃⼰开发的应⽤，也可以说中间件的集成。整个应⽤层的开发，按照多进程多线程模块开发。主线程注册消息通信系统，注册事件接收系统等，接收消息，处理消息。接收事件，处理事件，完成进程间的消息通信。⼦线程完成应⽤功能的实现。
基于该框架，开发者能够很容易添加新的功能，封装接⼝，添加消息完成同其他模块的通信。基于框架开发的⼀个实例如下图所⽰：
2.7关键技术及瓶颈
从整体上来看，系统是⼀个消息驱动系统，包含了复杂的多样的消息流动。这⾥⾯既有应⽤⾃⾝产⽣的消息，也包括诸如定时、按键以及⽹络等系统消息。⽽且就应⽤⾃⾝产⽣的消息来说，也⼗分的不⼀样，有多⼜少，有⼤有⼩。这就像⼈体的⼤脑和神经，各个模块是各种脏腑，有不同的器官构成，通过⼤脑和神经统⼀协调起来。具体的消息内容就像是⾎液，流动于全⾝。整个系统可以通过消息⽹络提挈起来。设计完善的消息⽹络，就是关键技术。
该框架作为嵌⼊式软件开发的⼀个框架，实时性是其需要保证的⼀条基本特性。在本框架中，实时性主要受限于消息通信，包括进程间的消息通信和线程间的消息通信，相对⽽⾔进程间消息通信更为要紧⼀点。因此，这⾥所提的瓶颈也就在于如何实现⾼效的进程间通信。进程间通信在Linux中有多种⽅式来实现，框架中选择socket模式来完成。不过这块不是本⽂的重点，其具体实现也是可以根据不同的需求，很⽅便的变换的，这⾥就不多述。具体可查阅Linux进程间通信的相关资料。
3 结束语
本⽂讨论了⼀种应⽤于基于Linux操作系统之上的嵌⼊式软件框架的设计和实现。该框架是基于实践开发总结出来的，并成功应⽤于iptv和视频监控系统的开发中。另外基于该框架的许多模块都可以复⽤。基于该框架，开发⼈员可以快速构建系统原型，并专注于应⽤逻辑的开发。
使⽤该框架减少了开发周期，提⾼了系统的稳定性，取得了很好的效果。当然，它也并⾮完美⽆缺。⾸先它被限制在了使⽤Linux作为操作系统的嵌⼊式中，其次就是基于消息的通信，需要⾼效的通信机制，来满⾜嵌⼊式实时性的特定要求。
总的来说，该框架还是具有很好的通⽤性和良好的可移植性。适⽤⾯⼴，简单⾼效稳定。

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